k8s六 | 理解有状态应用StatefulSet

作者: Anson前行 | 来源:发表于2020-03-23 17:05 被阅读0次

这篇文章主要介绍StatefulSet控制器的设计原理和有状态应用的具体实践。

一. StatefulSet的设计原理

首先我们先来了解下Kubernetes的一个概念：有状态服务与无状态服务。

无状态服务（Stateless Service）：该服务运行的实例不会在本地存储需要持久化的数据，并且多个实例对于同一个请求响应的结果是完全一致的。这种方式适用于服务间相互没有依赖关系，如Web应用，在Deployment控制器停止掉其中的一个Pod不会对其他Pod造成影响。
有状态服务（Stateful Service）：服务运行的实例需要在本地存储持久化数据，比如数据库或者多个实例之间有依赖拓扑关系，比如：主从关系、主备关系。如果停止掉依赖中的一个Pod，就会导致数据丢失或者集群崩溃。这种实例之间有不对等关系，以及实例对外部数据有依赖关系的应用，就被称为“有状态应用”（Stateful Application）。

其中无状态服务在我们前面文章中使用的Deployment编排对象已经可以满足，因为无状态的应用不需要很多要求，只要保持服务正常运行就可以，Deployment删除掉任意中的Pod也不会影响服务的正常，但面对相对复杂的应用，比如有依赖关系或者需要存储数据，Deployment就无法满足条件了，Kubernetes项目也提供了另一个编排对象StatefulSet。

StatefulSet将有状态应用抽象为两种情况：

拓扑状态。这种情况意味着，应用的多个实例之间不是完全对等的关系。这些应用实例，必须按照某些顺序启动，比如应用的主节点 A 要先于从节点 B 启动。而如果你把 A 和 B 两个 Pod 删除掉，它们再次被创建出来时也必须严格按照这个顺序才行。并且，新创建出来的 Pod，必须和原来 Pod 的网络标识一样，这样原先的访问者才能使用同样的方法，访问到这个新 Pod。
存储状态。这种情况意味着，应用的多个实例分别绑定了不同的存储数据。对于这些应用实例来说，Pod A 第一次读取到的数据，和隔了十分钟之后再次读取到的数据，应该是同一份，哪怕在此期间 Pod A 被重新创建过。这种情况最典型的例子，就是一个数据库应用的多个存储实例。

StatefulSet 的核心功能，就是通过某种方式记录这些状态，然后在 Pod 被重新创建时，能够为新 Pod 恢复这些状态。它包含Deployment控制器ReplicaSet的所有功能，增加可以处理Pod的启动顺序，为保留每个Pod的状态设置唯一标识，同时具有以下功能：

稳定的、唯一的网络标识符
稳定的、持久化的存储
有序的、优雅的部署和缩放

二. 有状态服务的拓扑状态

1. 唯一的网络标识

在上面我们提到有状态应用大致抽象为拓扑状态和存储状态，拓扑状态是为应用多实例中有相互依赖的服务而实现的。首先我们先来了解StatefulSet如何保证唯一的网络标识，这就需要涉及到Kubernetes 项目中非常实用的概念：Headless Service。

Service资源对象我们在k8s(一) 基本概念与组件原理已经提及到它是k8s项目中用来将一组 Pod 暴露给外界访问的一种机制。Service也分为两种方式分别是：

第一种方式，是以 Service 的 VIP（Virtual IP，即：虚拟 IP）方式。比如：当我访问 10.0.23.1 这个 Service 的 IP 地址时，10.0.23.1 其实就是一个 VIP，它会把请求转发到该 Service 所代理的某一个 Pod 上，相当于前面的负载均衡代理。
第二种方式，就是以 Service 的 DNS 方式。比如：这时候，只要我访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”这条 DNS 记录，就可以访问到名叫 my-svc 的 Service 所代理的某一个 Pod。

而第二种以DNS的方式又分为两种处理方法：

Normal Service：正常使用，访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，正是 my-svc 这个 Service 的 VIP，然后将请求通过VIP地址转发到代理的Pod。
Headless Service：无头服务，访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，直接就是 my-svc 代理的某一个 Pod 的 IP 地址。可以看到，这里的区别在于，Headless Service 不需要分配一个 VIP，而是可以直接以 DNS 记录的方式解析出被代理 Pod 的 IP 地址。

定义Headless Service 资源文件

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx

Headless Service 在配置中和普通的Service的yaml文件定义基本相同，只是修改了clusterIP 字段为None，这样Headless Service 就不需要分配VIP地址，可以直接通过DNS的方式直接访问到Pod的IP地址。创建Headless Service 后它所代理的所有 Pod 的 IP 地址，都会被绑定一个这样格式的 DNS 记录：

<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local

这个 DNS 记录，正是 Kubernetes 项目为 Pod 分配的唯一的“可解析身份”（Resolvable Identity）。有了这个“可解析身份”，只要你知道了一个 Pod 的名字，以及它对应的 Service 的名字，就可以通过这条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址。

定义StatefulSet资源文件

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web

上面这个YAML文件比我们之前部署的nginx-deployment增加了ServiceName:nginx的字段定义，即：告诉 StatefulSet 控制器，在执行控制循环（Control Loop）的时候，请使用 nginx 这个 Headless Service 来保证 Pod 的“可解析身份”。

下面我们创建这些资源：

$ kubectl create -f svc.yaml
$ kubectl get service nginx
NAME      TYPE         CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     ClusterIP    None         <none>        80/TCP    10s
$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get statefulset web
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web       2         1         19s
$ kubectl get pods -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          12m
web-1   1/1     Running   0          10m

可以看到，Pod的名字后面都以数字顺序为后缀，这个是因为StatefulSet 对它所管理 Pod 名字进行了编号，编号规则是：-，编号是从 0 开始累加，与 StatefulSet 的每个 Pod 实例一一对应，不会重复。这些 Pod 的创建，也是严格按照编号顺序进行的。比如，在 web-0 进入到 Running 状态、并且细分状态（Conditions）成为 Ready 之前，web-1 会一直处于 Pending 状态。

当这两个 Pod 都进入了 Running 状态之后，就可以查看到它们各自唯一的“网络身份”了。我们使用kubectl exec命令分别进入到容器中查看它们的 hostname。

$ kubectl exec web-0 -- sh -c 'hostname' 
web-0
$ kubectl exec web-1 -- sh -c 'hostname' 
web-1

然后我们启动一个一次性的pod来验证是否可以通过DNS解析到Pod的IP地址

$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.7

可以看到我们解析web-0.nginx这个DNS已经正确的返回了Pod的IP地址，现在我们再打开一个终端来删除这两个Pod，看看会发生什么样的变化？

$ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted

查看Statefulset重新创建的Pod是否可以正常解析？

$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh 
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.8

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8

可以发现重新创建的pod也是按照原先的顺序来创建的，虽然Pod的IP地址有变化，但是用之前的DNS解析还是没有变化的，保持了原先的唯一网络标识，StatefulSet 也就保证了 Pod 网络标识的稳定性。至此Kubernetes 就成功地将 Pod 的拓扑状态（比如：哪个节点先启动，哪个节点后启动），按照 Pod 的“名字 + 编号”的方式固定了下来。

三. 有状态服务的存储状态

下面我们来继续探究StatefulSet对存储状态的管理机制，在前面我们创建Pod需要使用存储的时候，只需要在资源文件中添加spec.volumes字段声明使用volume就可以，比如设置为hostpath或者emptyDir 。但实际环境中开发人员并不清楚我们那些Volume可以使用，所以存储我们就需要使用Kubernetes的另一个资源对象PVC（Persistent Volume Claim）的功能。

PVC 的全称是：PersistentVolumeClaim（持久化卷声明），PVC 是用户存储的一种声明，PVC 和 Pod 比较类似，Pod 消耗的是节点，PVC 消耗的是 PV 资源，Pod 可以请求 CPU 和内存，而 PVC 可以请求特定的存储空间和访问模式。对于真正使用存储的用户不需要关心底层的存储实现细节，只需要直接声明使用 PVC 即可，不会暴露后端存储的信息。
PV 的全称是：PersistentVolume（持久化卷），是对底层的共享存储的一种抽象，PV 由运维人员进行创建和配置，它和具体的底层的共享存储技术的实现方式有关，比如 Ceph、GlusterFS、NFS 等，都是通过插件机制完成与共享存储的对接。

PVC消耗的是PV资源，PV消耗的是后端共享存储。当我们创建一个PVC时，kubernetes 就会自动为PVC绑定一个符合条件的 PV，这里我们PV我们后续会在持久化存储文章中详细讲解，在这个例子中不做过多描述，这里我们已经提前创建完成。

继续以上面拓扑状态的应用为例，我们在资源文件中声明使用PVC：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes:
      - ReadWriteOnce  # Volume 的挂载方式是可读写，并且只能被挂载在一个节点上而非被多个节点共享。
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi  #Volume 大小至少是 1 GiB。

我们为这个 StatefulSet 额外添加了一个volumeClaimTemplates字段。它跟 Deployment 里 Pod 模板（PodTemplate）的作用类似。也就是说，凡是被这个 StatefulSet 管理的 Pod，都会声明一个对应的 PVC；而这个 PVC 的定义，就来自于 volumeClaimTemplates这个模板字段。更重要的是，这个 PVC 的名字，会被分配一个与这个 Pod 完全一致的编号。其中这个自动创建的 PVC，与 PV 绑定成功后，就会进入 Bound 状态，这就意味着这个 Pod 可以挂载并使用这个 PV 了。

我们来创建这个资源对象：

$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get pvc -l app=nginx
NAME        STATUS    VOLUME                                     CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
www-web-0   Bound     pvc-15c268c7-b507-11e6-932f-42010a800002   1Gi        RWO           48s
www-web-1   Bound     pvc-15c79307-b507-11e6-932f-42010a800002   1Gi        RWO           48s

可以看到PVC的命名方式为<PVC名字>-<StatefulSet名字>-<Pod编号>，PVC的状态已经显示为Bound，说明已经绑定到符合条件的PV，现在我们测试验证下数据是否会丢失？

分别往Pod的Volume目录中写入内容为hostname的index.html文件，然后分别访问pod的Nginx进程，查看返回信息是否正确

$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'echo hello $(hostname) > /usr/share/nginx/html/index.html'; done
$ for i in 0 1; do kubectl exec -it web-$i -- curl localhost; done
hello web-0
hello web-1

然后我们手动删除这两个Pod

$ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted

被删除之后，这两个 Pod 会被按照编号的顺序被重新创建出来。然后我们在新创建的容器里通过访问“http://localhost”的方式去访问 web-0 里的 Nginx 服务：

# 在被重新创建出来的Pod容器里访问http://localhost
$ kubectl exec -it web-0 -- curl localhost
hello web-0

可以发现请求依然会返回：“hello web-0”，也就是说，原先与：“web-0” 的 Pod 绑定的 PV，在这个 Pod 被重新创建之后，依然和新的“ web-0 ” Pod 绑定在了一起。对于 Pod web-1 来说，也是完全一样的情况。

这是因为我们删除pod后，之前绑定的PV和PVC并不会删除，数据仍然保存在后端的远程存储如Ceph中，StatefulSet发现Pod消失后，会自动创建一个新的Pod，名字编号也是和之前相同，而这个新的Pod声明使用的还是之前的PVC名字，所以在这个新的 Pod 创建出来之后，Kubernetes 会为它查找之前绑定的PVC ，就会直接找到旧 Pod 遗留下来的同名的 PVC，进而找到跟这个 PVC 绑定在一起的 PV。这样新的 Pod 就可以挂载到旧 Pod 对应的那个 Volume，并且获取到保存在 Volume 里的数据。通过这种方式，Kubernetes 的 StatefulSet 就实现了对应用存储状态的管理。

总结：

StatefulSet 的控制器直接管理的是 Pod。通过在 Pod 的名字里加上事先约定好的编号，保证应用拓扑状态的服务稳定。
Kubernetes 通过 Headless Service，为这些有编号的 Pod，在 DNS 服务器中生成带有同样编号的 DNS 记录，生成唯一的网络标识。
StatefulSet 为每一个 Pod 分配并创建一个同样编号的 PVC。保证了每一个 Pod 都拥有一个独立的 Volume，保证数据不会丢失。

下篇文章：k8s五 | Pod的作业副本与滚动更新
系列文章：深入理解Kuerneters
参考资料：深入剖析Kubernetes-张磊

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k8s六 | 理解有状态应用StatefulSet

一. StatefulSet的设计原理

二. 有状态服务的拓扑状态

1. 唯一的网络标识

三. 有状态服务的存储状态

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